这很容易被视为理所当然。科学家在研究压力时会这样做，压力是物体上每单位面积的力。科学家通过假设它具有对称性来数学处理压力。这意味着如果用转弯或翻转等方式转换受应力的物体，应力的分量是相同的。超级计算机模拟表明，在原子水平上，材料应力不对称。这些发现可以帮助科学家们设计出不会结冰的新材料，如玻璃或金属。

这是根据2018年9月在“皇家学会学报”A期刊上发表的一项研究得出的。研究报告的共同作者黎明雄总结了两个主要发现。“经典连续介质力学中应力张量的普遍接受的对称性质是基于某些假设，当材料以原子分辨率解​​析时，它们将无效。”熊继续说，“广泛使用的原子维里应力或哈代应力公式显着低估了应力集中器附近的应力，如位错变形材料中的位错核心，裂纹尖端或界面。”Liming Xiong是爱荷华州立大学航空航天工程系的助理教授。

Xiong及其同事以不同于经典连续介质力学的方式处理应力，经典连续介质力学假设材料是无限可分的，因此当材料体积接近零时，材料点的动量矩消失。相反，他们使用数学家AL Cauchy的定义作为单位面积作用于三个矩形平面的力。由此，他们进行了分子动力学模拟，以测量由位错，相界和孔引起的不均匀性的材料的原子级应力张量。

熊说，计算上的挑战膨胀到目前可计算的极限，当一个人处理原子力在雨滴的一小部分空间内相互作用时。“需要计算的自由度将是巨大的，因为即使是微米级的样本也会包含数十亿个原子。数十亿个原子对将需要大量的计算资源，”熊说。

而且，Xiong补充说，缺乏一个完善的计算机代码，可用于原子尺度的局部应力计算。他的团队使用了开源LAMMpS分子动力学模拟器，结合了Lennard-Jones原子间势，并通过他们在论文中制定的参数进行了修改。“基本上，我们正试图迎接两个挑战，”熊说。“一个是在原子水平上重新定义压力。另一个是，如果我们有一个明确定义的压力量，我们可以使用超级计算机资源来计算它吗?”

熊被国家科学基金会资助的极端科学与工程发现环境XSEDE授予超级计算机分配。这使得熊可以进入圣地亚哥超级计算机中心的Comet系统;和Jetstream，印第安纳大学，亚利桑那大学和德克萨斯高级计算中心支持的云环境。

“Jetstream是一个非常适合开发计算机代码，调试和测试它的平台，”Xiong说。“Jetstream专为小规模计算而设计，不适用于大规模计算。一旦代码开发和基准测试，我们将其移植到petascale Comet系统，使用数百到数千个处理器执行大规模模拟。这就是我们的方法。使用XSEDE资源进行这项研究，“熊解释道。

Jetstream系统是一种可配置的大规模计算资源，它利用按需和持久性虚拟机技术来支持比当前NSF资源所能容纳的更广泛的软件环境和服务。

“该代码的调试需要云监控和按需智能资源分配，”熊回忆说。“我们需要首先测试它，因为该代码不可用.Jetstream具有云监控和按需智能资源分配的独特功能。这些是我们选择Jetstream开发代码的最重要功能。”

“我们的研究小组给Jetstream留下了最深刻的印象，”Xiong继续说道，“是云监控。在代码的调试阶段，我们确实需要监控代码在计算过程中的表现。如果代码没有完全开发，如果还没有基准测试，我们不知道哪个部分有问题。云监控可以告诉我们代码在运行时的表现如何。这是非常独特的，“熊说。

熊先生说，模拟工作可以帮助科学家在一种称为多尺度建模的方法中弥合现实的微观和宏观尺度之间的差距。“多尺度正试图弥合原子连续体。为了开发多尺度建模的方法，我们需要对每个层次的每个数量都有一致的定义......这对于建立自洽的并发原子 - 非常重要 - 连续计算工具。使用该工具，我们可以自下而上地预测材料性能，质量和行为。通过将材料视为原子的集合，我们可以预测其行为。压力只是一个垫脚石。那，我们有数量来弥合连续统一体，“熊说。

熊和他的研究小组正在开展几个项目，以应用他们对压力的理解来设计具有新颖性质的新材料。“其中一个是从材料表面除冰，”熊解释说。“你可以观察到的一个常见现象是在寒冷的天气里在车窗上形成的冰。如果你想要将它移除，你需要在冰上施加一个力。除去冰块所需的力和能量与压力有关。张量定义和冰与车窗之间的界面。基本上，压力定义，如果在局部范围内清晰，它将提供在我们日常生活中使用的主要指导。

熊在科学的计算方面看到了巨大的价值。“超级计算是一种非常强大的计算方法。如今，人们希望加快新材料的开发。我们希望在将其投入批量生产之前制造和理解材料行为。这需要一个预测模拟工具。预测模拟工具确实将材料视为原子的集合。与原子相关的自由度将是巨大的。即使是微米级的样品也会包含数十亿个原子。只有超级计算机可以提供帮助。这对超级计算来说非常独特，“熊说。